JPH08136208A - 変位検出装置および変位信号発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁石片の移動を測定することによって変位を
測定するもので、面積式流量計のフロートに内蔵された
磁石の位置検出などに用いる。 【構成】 変位方向に着磁された磁石片の移動を検出す
る変位検出装置において、磁石片の計測すべき変位範囲
に亘って複数の磁気抵抗素子を並べて設置し、また長さ
が少なくとも計測すべき変位範囲を有し長さ方向と直角
方向に着磁された磁石を前記磁気抵抗素子の列に一方の
磁極を向けて設け、いずれかの磁気抵抗素子が検出した
磁場が一定値以上であるか否かによって前記磁石片の位
置を検出する。 【効果】 温度誤差が無く、工業計器に要求されるアナ
ログ信号に容易に変換できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は面積式流量計におけるフ
ロートの位置などの変位を電気的に検出する装置および
測定量の記録、制御などのためにこれによりアナログの
変位信号を発生する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】工業の分野で変位を電気量に変換してレ
コーダへの記録、自動制御、遠隔測定などを行なうこと
は多く行なわれている。しかし同じ変位の信号を発生さ
せるのでも適用分野によっては困難な問題を生ずる場合
がある。たとえば面積式流量計は目盛を設けたテーパ管
を垂直に保持し、流れによりフロートを浮遊させること
により計測するものであって流れの状態を目視しつつ直
接的に流量を知ることができるので流量計として広く用
いられている。これについて流量の信号を発生する手段
としては各種のものが状況に応じて使用されている。

【０００３】光がフロートを遮ることによって検出する
方式はよく知られており、単一の受光素子を用いてサー
ボ機構でフロートに追従させるものと、多数の受光素子
を並べてフロートの位置を検出するものとがある。この
方式は精度が優れているが透明な流体にしか適用できな
いという欠点がある。したがってガス体の流量計の場合
は良いが、液体の場合一番需要の多い水の流量計におい
ても水あかが多少テーパ管内に付着しただけでも動体が
不確実になるという問題がある。

【０００４】不透明な流体にも適用されるものとしては
差動変圧器を使用したものが知られており、これはフロ
ートに棒を連結して流量計の外部に設けた差動変圧器の
鉄心に結合するものである。しかしこの方式は構造が複
雑であり、また差動変圧器の動作反力もあり小流量では
誤差が大きいという問題もある。

【０００５】このためさらに種々のセンサが提案されて
おり実用化もされている。たとえば特開昭６２−９５４
２５号公報にはフロートに強磁性体を用い、励磁コイル
と検出コイルの対をテーパ管に沿って並べたものが開示
されている。しかしこの方法はコイルを多数密接して並
べることが困難なため測定精度に限界があり、また外側
には強磁性体の外筒を設けるなど装置が大きなものとな
る問題がある。

【０００６】また特開平３−１８８３２４号公報にはテ
ーパ管に励磁コイルと検出コイルを巻き、フロートとし
て電気伝導体またはこれを内蔵したものを用い、これに
発生した渦電流による検出コイル電圧の位相変化を検出
する方法が開示されている。この方法は検出感度は良好
であるが温度誤差がやや大きくこれの補償の必要がある
ことからより簡易な検出器が望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は上記のよ
うな問題から複数の磁気抵抗素子をテーパ管に平行に並
べ、フロートに磁石を封入したものを用いてその位置を
検出する方法を先に発明した（特開平６−１８０２４２
号公報）。磁気抵抗素子は同様の磁気検出素子であるホ
ール素子に比して低い磁場を感度良く検出できる。さら
に素子自体も小型で密接して並べても相互干渉で動作に
不具合を生ずるということもないのでこのような使い方
に非常に適している。また温度誤差の問題もこのような
複数の素子を並べてディジタル的に検出する方法にあっ
ては本質的に小さいが、磁気抵抗素子自体も内部の構成
が同種のエレメントのブリッジ接続になっており、これ
により温度係数を無視できる状態になっている。

【０００８】しかしながら一方、磁気抵抗素子は原理上
磁極の極性を判断する能力はない。したがって図２の磁
石片と磁気抵抗素子の位置関係を示す図において、
（ａ）図のように磁気抵抗素子１が並んだ方向すなわち
磁石片の変位方向に対して磁石片の着磁の方向が直角の
場合は良いが、（ｂ）図のように磁石片の変位方向と着
磁方向が同じ場合にはＮ極とＳ極の両方に同様に感応し
離れた２個所の磁気抵抗素子で同時に検出したり、検出
位置そのものが広がりあいまいになったりする。面積式
流量計においてフロートに磁石を封入する場合、フロー
トは軸の回りに自由回転するのであるから、図２（ｂ）
のような向きに磁極が来るようにせざるを得ずなんらか
の方策が必要である。

【０００９】前記の先の発明においてはこの問題を解決
するため磁気抵抗素子として特別なものを用いた。すな
わち硬磁性材料がエレメントになっており、磁気ヒステ
リシスにより磁化の方向を記憶するものであって、これ
を配置の方向を工夫して用いることによって解決したの
である。本発明はこれに対し一般的な磁気抵抗素子を用
いて、図２（ｂ）のように磁石片の磁極の向きが変位方
向と平行であっても使用可能な変位検出装置を開発する
ことを目的とする。このような一般的な磁気抵抗素子は
複数の製造メーカーにより多様な形態、特性のものが生
産されており、より多様な形態、特性の変位検出装置を
作ることができる。また本発明はさらに上記の磁気抵抗
素子によりアナログの変位記号を発生するのに特に適し
た変位信号発生装置の開発も目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、変位方向に着磁された磁石片の移動
を検出する変位検出装置において、磁石片の計測すべき
変位範囲に亘って複数の磁気抵抗素子を並べて設置し、
また長さが少なくとも計測すべき変位範囲を有し長さ方
向と直角方向に着磁された磁石を前記磁気抵抗素子の列
に一方の磁極を向けて設け、いずれかの磁気抵抗素子が
検出した磁場が一定値以上であるか否かによって前記磁
石片の位置を検出することを特徴とする変位検出装置で
ある。ここにおいて磁石片が面積式流量計のフロート内
に封入されたものであること、またはフロートに連結さ
れたものであること、またさらに磁石片が差圧式流量計
のダイヤフラムの変位を拡大した機構部に取り付けられ
たものであることも特徴とする。

【００１１】また複数の磁気抵抗素子を磁石片の計測す
べき変位範囲に亘って並べ、磁石片により磁気抵抗素子
が一定値以上の磁場を検出したとき、当該磁気抵抗素子
から一定の電圧が出力されるコンパレータ回路をそれぞ
れの磁気抵抗素子に対して設け、各コンパレータ回路か
らの出力電圧を磁気抵抗素子を並べた順序に順次変えた
分圧比で分圧する抵抗器回路をそれぞれ設け、各抵抗器
回路の出力側にはそれぞれダイオードの一端を抵抗器回
路からの出力電圧に対し順方向の極性で接続し、各ダイ
オードの他端同士を接続して出力としたことを特徴とす
る変位信号発生装置である。

【００１２】

【作用】本発明の変位検出装置を面積式流量計に適用し
た場合を例としてその構成を示したのが図１である。図
において１はそれぞれ磁気抵抗素子でこの図では一部の
みを示しているが、通常数十個を計測すべき変位範囲に
亘って等間隔に並べて設ける。４は流量計のテーパ管で
あり、３はフロートで磁石片２が封入されている。さら
に長さが少なくとも計測すべき変位範囲、すなわちフロ
ートの測定移動範囲を有し、長さ方向と直角方向に着磁
された磁石を設ける。この例では平板状の磁石５がテー
パ管４と平行して設けられているが、平板の厚さ方向に
着磁されており一方の極が磁気抵抗素子１の列に向くよ
うに置かれる。

【００１３】フロート内の磁石片４は構造上上下方向す
なわちフロートの移動方向に着磁されているが極性につ
いてはどちらでもよい。また平板状の磁石５の極性につ
いてもどちらでも動作は可能である。ただし面積式流量
計の目盛を目視するときフロートの上端位置で計測する
ことが多いが、これと合わせるにはフロート内の磁石片
の上端の極性と同じ極性の磁極を磁気抵抗素子側に向け
るとよい。

【００１４】図３はこのように配置したときの動作状態
を説明するグラフで、横軸は位置、縦軸は磁場を示して
いる。磁石片２がグラフ中に示した位置にあると、これ
による磁石片の移動範囲に平行した位置の磁場は曲線１
１のようになる。一方、磁気抵抗素子の磁気検出は極性
を判別しないのであるから、Ｎ極、Ｓ極それぞれの感度
が１３Ａ、１３Ｂの直線のところにあるとすると両方で
検出が行なわれる。そこで磁石片の移動範囲に亘って均
一な磁場を発生させる磁石をＮ極を磁石片側に向けて置
くと磁場は曲線１２のように平行移動した形でずれる。
したがってＮ極側の１３Ａの線のところでのみ検出が行
なわれることになる。

【００１５】前記の磁石の位置は図１のようにテーパ管
４を挾んで磁気抵抗素子１と反対側にその磁極がテーパ
管の方を向くように設ければよいが、その位置を横にず
らしたり縦軸の回りに回転したりして磁気抵抗素子の部
分における磁石５による磁場の強さを調節できる。もち
ろんテーパ管から遠ざける方向にずらすことによって磁
気抵抗素子１の部分の磁石５の強さを弱めることも当然
できる。またさらに磁気抵抗素子１とテーパ管４との距
離も変えることにより、磁場の検出感度や磁石５による
磁場の強さとの比率も変えられる。

【００１６】本発明に用いる磁気抵抗素子は一般的に用
いられているパーマロイなどの強磁性金属の薄膜を素子
とするものを使用できる。素子はたとえば図４に示すよ
うに４個のエレメント７がブリッジに接続されており、
磁界の方向がジグザグの電流経路を横切る方向のとき抵
抗の変化が最大になる。したがって互いに９０度離れた
方向に最大感度を有する。磁気抵抗素子はたとえばリー
ド線の部分を除く寸法で幅３ｍｍ、長さ５ｍｍ、厚さ２
ｍｍといった平板状をしているので密着して並べればよ
く、このように密着して並べても相互干渉の問題はな
い。

【００１７】実装方法は配線パターンを設けたプリント
基板にリード線を差し込んでハンダ付けすればよい。こ
の場合リード線の並んだ幅方向に磁気抵抗素子を密着し
て並べればプリント基板の配線ピッチは確保できる。ま
たさらに測定の分解能を上げるため図５に（ａ）正面図
と（ｂ）側面図を示したように半ピッチずらして２列に
することもできる。このように列を２列にすることによ
りプリント基板のリード線への配線ピッチを確保しつつ
分解能を向上することが可能になる。

【００１８】また本発明に用いる磁石は長さ全域にわた
って均等に磁化されていることが必要である。材質とし
ては特に限定するものでなく、フェライト磁石などが使
用しうる。このように測定範囲全域に亘って単一の磁石
を用いることにより、すべての磁気抵抗素子について均
一な感度で磁場の検出ができる。なお磁気抵抗素子の中
には特殊品としてバイアス磁石と称する微少な磁石を内
蔵することにより、磁気抵抗素子は本来リニアリティが
悪いのを磁気ヒステリシス曲線上の動作位置をずらすこ
とにより磁気に比例した出力を得られるようにしたもの
がある。このようなものも上記の使用目的とは異なるが
使用方法によって磁極の極性を判別する機能を有する。
しかし磁気抵抗素子を密接して並べたとき内蔵磁石同士
の相互干渉の問題があり、また個々の素子の内蔵磁石の
ばらつきの問題などもあり、本発明の単一の磁石を設け
る方法が優れている。

【００１９】以上はフロートに磁石片を封入した面積式
流量計について本発明の変位検出装置を適用した場合を
例として説明したが、面積式流量計でもフロートに棒を
連結してテーパ管の上部に設けた透明な円筒内でその棒
の端部の位置を読む方式のものにも適用できる。この場
合テーパ管に非磁性材を使用すれば前記のようなフロー
トの内部に磁石片を封入する方法でもよいが、棒の先端
部に磁石片を取り付けてこれの変位を本発明の装置で検
出すればよい。さらには本発明は変位方向に着磁された
磁石片の移動の検出として面積式流量計以外にも適用可
能なことは原理的に当然である。たとえば同じく流量計
における適用としては図６に示したような差圧式流量計
が挙げられる。すなわち図６において配管３０に設けた
オリフィス３１の上流側と下流側からそれぞれ導圧管３
２、３３によって圧力室３４とその中に設けられたダイ
ヤフラム３５の内部に連通している。これにより配管中
の流れによって生じた差圧に応じてダイヤフラム３５が
変位し、これによるレバー３６の動きとして流量を検出
する。レバーの動きはレバーの先端３７の長さをさらに
延長したり、図示しない歯車機構やリンク機構などを設
けることにより拡大できる。そしてこれらダイヤフラム
の変位を拡大した機構部に磁石片を取り付け、前記方法
によりその変位を検出すればよい。

【００２０】前記のようにして並べた個々の磁気抵抗素
子からの出力を増幅してあるレベル以上であれば表示す
るようにすれば、たとえば流量計であればフロートがど
の磁気抵抗素子の位置にあるか知ることができる。ディ
ジタル信号としてならこのままでも使用可能であるが、
工業計器ではたとえばフルスケールが直流４ｍＡから２
０ｍＡの電流出力といったアナログ信号を求められるこ
とが多い。本発明はこのようなアナログ出力を得るのに
好適な変位信号発生装置もさらに提供する。

【００２１】図７はその回路を示す図で、２０Ａ〜２０
Ｈは磁気抵抗素子であって電源入力端子は省略し、また
素子の数も通常より少なく省略して示している。それぞ
れの磁気抵抗素子の出力はコンパレータ回路２１Ａ〜２
１Ｈに入り、磁気抵抗素子がある大きさ以上の磁場を検
出するとコンパレータ回路の電源電圧できまる一定の電
圧を出力する。

【００２２】また２２Ａ〜２２Ｈと２３Ａ〜２３Ｈは抵
抗器回路であって、それぞれ２２Ａと２３Ａ、２２Ｂと
２３Ｂ等の分圧比を磁気抵抗素子を並べた順序に順次変
えてある。たとえば２２Ａと２３Ａは１０分の８、２２
Ｂと２３Ｂは１０分の７というように変化させていき、
２２Ｈと２３Ｈは１０分の１とする。

【００２３】さらにこれらそれぞれの抵抗器回路からの
出力電圧に対し、順方向の極性でそれぞれダイオード２
４Ａ〜２４Ｈが接続されている。たとえば磁気を検出し
たときコンパレータにプラスの出力電圧が出るのであれ
ば図７に示したようにプラスの電圧に対して順方向にな
るような極性で接続する。そして一方各ダイオードの他
端の端子同士をまとめて接続しこれをこの回路の出力２
５とする。

【００２４】このようにすることにより、隣接した複数
の磁気抵抗素子が一定値以上の磁場を検出した場合にお
いても抵抗器回路２２Ａ〜２２Ｈおよび２３Ａ〜２３Ｈ
の分圧比の一番大きいものの出力電圧のみがダイオード
２４Ａ〜２４Ｈを通過して出力２５に現われることにな
る。したがってたとえば面積式流量計のフロート３の上
端部の一定位置を常に正確に検出することが可能とな
り、非常に好都合である。以上のようにして磁石片の位
置に対応したアナログ電圧が得られるが、図示しない回
路を設けることによりこれからフルスケール４ｍＡ〜２
０ｍＡといった直流出力に変換できることはいうまでも
ない。またこの変位信号発生装置は本発明の変位検出装
置だけでなく、図２（ａ）に示したような磁気抵抗素子
を使用した変位検出装置に対しても使用可能である。

【００２５】

【実施例】測定範囲におけるフロートの移動距離が６０
ｍｍの面積式流量計において本発明の変位検出装置を適
用した。図１のようにフロートの内部には長さ１０ｍｍ
の永久磁石を封入し、またテーパ管に沿って寸法２ｍｍ
厚、３ｍｍ幅、５ｍｍ長の磁気抵抗素子を図５に示した
ように２列に各列２０個合計４０個並べて設けた。磁気
抵抗素子は図４のように４個のエレメントがブリッジに
接続されており、さらに同じパッケージの中にオペレー
ショナルアンプＩＣによるコンパレータ回路が入ってい
る。変位信号発生装置は図７に示したものを使用し、１
枚のプリント基板に全部の磁気抵抗素子と一部の抵抗器
（２２Ａ、２２Ｂ等）を取り付けたが、コンパレータ２
１Ａ等を磁気抵抗素子と別に取り付ける必要がなく、実
装が非常に容易になる。

【００２６】また寸法６ｍｍ厚、１４ｍｍ幅、６０ｍｍ
長のフェライト磁石の板を厚み方向に磁化し、図１のよ
うにテーパ管を挾んで磁気抵抗素子の列と反対側におい
て、一方の磁極をテーパ管に向けて設けた。さらに変位
信号発生装置の電圧出力を直流４ｍＡ〜２０ｍＡをフル
スケールとする電流出力に変換する回路を設けた。その
結果フロートの位置と出力電流との関係は良好な直線性
が得られ、温度誤差もほとんどなく優れた特性の流量測
定装置が得られた。

【００２７】

【発明の効果】本発明の変位検出装置は面積式流量計の
フロートに内蔵された磁石など、従来の磁気検出手段で
は困難であった変位方向に着磁された磁石片の位置を磁
気抵抗素子により正確に検出できる。本発明に用いる磁
気抵抗素子は密接して並べても相互干渉がなく、十分な
精度、分解能で位置測定を行なうことができ、また温度
誤差がほとんどない。

【００２８】また本発明の変位信号発生装置によれば複
数の磁気抵抗素子からの検出信号を弁別してその位置に
対応したアナログ信号を得ることができる。さらに同時
に複数の磁気抵抗素子から磁石片の位置を検出した信号
があっても測定位置の誤差を生ずることがなく、正確に
位置の変化を測定することができる。また磁気抵抗素子
の中にコンパレータ回路が内蔵されているものを利用す
ることができ部品点数を減らして実装を容易にすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位検出装置を適用した面積式流量計
の主要部を示す図

【図２】磁気抵抗素子と磁石片の位置関係を説明する図
で、（ａ）は磁石片の磁極の方向と移動方向とが直角の
場合、（ｂ）はこれが平行の場合

【図３】本発明の変位検出装置の動作状態を示すグラフ

【図４】磁気抵抗素子のエレメントの配置の例を示す図

【図５】本発明の変位検出装置における磁気抵抗素子の
配列方法の例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側
面図

【図６】差圧式流量計の機構を説明する図

【図７】本発明の変位信号発生装置の回路構成を示す図

【符号の説明】

１ 磁気抵抗素子 ２ 磁石片 ３ フロート ４ テーパ管 ５ 磁石 ７ エレメント ２０Ａ〜２０Ｈ 磁気抵抗素子 ２１Ａ〜２１Ｈ コンパレータ回路 ２２Ａ〜２２Ｈ、２３Ａ〜２３Ｈ 抵抗器 ２４Ａ〜２４Ｈ ダイオード ２５ 出力 ３０ 配管 ３１ オリフィス ３２、３３ 導圧管 ３４ 圧力室 ３５ ダイヤフラム ３６ レバー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位方向に着磁された磁石片の移動を検
   出する変位検出装置において、磁石片の計測すべき変位
   範囲に亘って複数の磁気抵抗素子を並べて設置し、また
   長さが少なくとも計測すべき変位範囲を有し長さ方向と
   直角方向に着磁された磁石を前記磁気抵抗素子の列に一
   方の磁極を向けて設け、いずれかの磁気抵抗素子が検出
   した磁場が一定値以上であるか否かによって前記磁石片
   の位置を検出することを特徴とする変位検出装置。
2. 【請求項２】 磁石片が面積式流量計のフロート内に封
   入されたものであることを特徴とする請求項１記載の変
   位検出装置。
3. 【請求項３】 磁石片が面積式流量計のフロートに連結
   されたものであることを特徴とする請求項１記載の変位
   検出装置。
4. 【請求項４】 磁石片が差圧式流量計のダイヤフラムの
   変位を拡大した機構部に取り付けられたものであること
   を特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
5. 【請求項５】 複数の磁気抵抗素子を磁石片の計測すべ
   き変位範囲に亘って並べ、磁石片により磁気抵抗素子が
   一定値以上の磁場を検出したとき、当該磁気抵抗素子か
   ら一定の電圧が出力されるコンパレータ回路をそれぞれ
   の磁気抵抗素子に対して設け、各コンパレータ回路から
   の出力電圧を磁気抵抗素子を並べた順序に順次変えた分
   圧比で分圧する抵抗器回路をそれぞれ設け、各抵抗器回
   路の出力側にはそれぞれダイオードの一端を抵抗器回路
   からの出力電圧に対し順方向の極性で接続し、各ダイオ
   ードの他端同士を接続して出力としたことを特徴とする
   変位信号発生装置。